嵌入式实时操作系统(RT-Thread设计与实现)/电子与嵌入式系统设计丛书

为什么要写这本书
自2006年发布V0.01版起，到今年正式发布V4.0版，RT-Thread历经12年的累积发展，凭借良好的口碑和开源免费的策略，已经拥有了一个国内 的嵌入式开源社区，积聚了数十万的软件爱好者。RT-Thread广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等众多行业，已成为国人自主开发、 成熟稳定和装机量 的开源嵌入式操作系统。
深处于行业之中，我们深刻地感受到近年来国内芯片产业和物联网产业快速崛起的趋势，行业发展迫切需要更多人才，尤其是掌握嵌入式操作系统等底层技术的人才，我们希望通过本书让RT-Thread触达更多人群，让更多的人了解集聚国人智慧的RT-Thread操作系统，从而让RT-Thread赋能更多行业，真正做到“积识成睿，慧泽百川”。
另外，高校学生是RT-Thread非常重视的群体，从2018年起，RT-Thread启动了一系列大学生计划，包括送书计划、培训计划、合作开课、赞助竞赛等，以帮助学生了解和学习RT-Thread，本书编写尽可能做到简单、易懂，让大学生能够轻松上手RT-Thread。希望本书能够加快RT-Thread在高校的普及。
总之，本书的初衷在于降低RT-Thread的学习门槛，让更多人能轻松学习、掌握RT-Thread，从而参与开发RT-Thread，共同打造开源、开放、小而美的物联网操作系统。
读者对象
所有使用C/C  进行编程的开发人员；
嵌入式软硬件工程师、电子工程师、物联网开发工程师；
高校计算机/电子/自动化/通信类专业学生、老师；
其他对嵌入式操作系统感兴趣的人员。
如何阅读本书
为了能够阅读本书，建议先学习C语言和STM32编程知识，如果有数据结构和面向对象编程基础则更佳。学习本书时，大多数章节都有配套示例代码，这些代码都可以实际运行，建议边阅读边实战，读完一章的同时完成该章示例实验。
本书分为两大部分，共16章：第1～10章为内核篇；第11～16章为组件篇。
第1～9章介绍RT-Thread内核，首先对RT-Thread进行总体介绍，在随后各章中分别介绍RT-Thread的线程管理、时钟管理、线程间同步、线程间通信、内存管理、中断管理，每章都有配套的示例代码，这部分示例可运行在Keil MDK模拟器环境下，不需要任何硬件。
第10章介绍RT-Thread内核移植，读完本章，可以将RT-Thread移植到实际的硬件板上运行。
第11～16章介绍RT-Thread组件部分，分别介绍Env开发环境、FinSH控制台、设备管理、文件系统和网络框架，这部分配套示例可以运行在硬件板上，分别完成外设访问、文件系统读写、网络通信功能。
本书配套资料包括实验源码及相关工具软件、硬件资料，可以通过关注 公众号“RTThread物联网操作系统”获得。
配套硬件
本书配套硬件为RT-Thread与正点原子联合开发的IoT Board开发板，基于STM32L475主芯片，本书组件篇配套的示例代码都基于IoT Board。

IoT Board开发板
本书第16章需要用到如下图所示的ENC28J60模块实现网络示例功能。

ENC28J60网络模块
如果已经购买其他开发板，如下图所示的野火和正点原子开发板，也可以配合本书进行学习，前提是根据第10章的介绍完成开发板上的RT-Thread内核移植，然后实现相关的外设驱动。

野火和正点原子开发板
勘误和支持
由于笔者水平有限，编写时间仓促，书中难免会存在一些错误或者不准确的地方，恳请读者到论坛发帖指正，RT-Thread官方论坛地址为https://www.rt-thread.org/qa/。在学习过程中遇到任何问题，也可以发帖交流，期待能够得到你们的真诚反馈，在技术之路上互勉共进。
致谢
本书由诸多RT-Thread开发者小伙伴集体完成，除封面作者外，杨洁、罗娇、虞昊迪、张源、邹诚、姚金润也参与了本书编写工作，郭占鑫、韩方黎、杨广亮、赵盼盼等参与了本书校对工作，王卓然对书稿开发提出了宝贵建议，感谢大家为本书出版做出的贡献。
感谢机械工业出版社华章公司编辑高婧雅帮助和引导我们顺利完成全部书稿。

邱　祎
2018年11月

篇为内核篇（第1-10章），详细讲解了 RT-Thread 的设计思想，各个功能模块如线程、邮箱、消息队列、事件、信号、定时器和系统时钟、中断和异常、内存池、堆管理、移植的工作机制和应用方式，也提供了大量的示例供参考。
第二篇为组件篇（第11-16章），详细讲解了命令行 Shell，文件系统，网络协议栈的工作机制和应用方式，并提供了示例供参考。
通过阅读本书，读者不仅能学习和掌握嵌入式操作系统内核和常用组件的工作机制和应用方式，而且也能够通过配套的示例代码，实际动手深入体会，对未来实际应用与开发提供参考。

邱祎，上海睿赛德电子科技有限公司联合创始人。从2006年在校时起参与开发RT-Thread开源操作系统，和中国国内优秀的工程师一起将RT-Thread从零发展起来，RT-Thread被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等众多行业，成为国人自主开发、 成熟稳定和装机量 的开源嵌入式操作系统。

熊谱翔，上海睿赛德电子科技有限公司创始人兼CEO，于2006年创立了RT-Thread开源操作系统，并以开源社区的形式，带领中国国内优秀的工程师，以从无到有的方式，融入实时面向对象设计开发了RT-Thread自主操作系统内核，及大量周边成熟、稳定软件组件，如文件系统、命令行、图形用户界面等。

朱天龙（Armink），睿赛德科技技术总监，负责RT-Thread物联网组件的研发，前沿技术探索及团队管理。曾任职于国内某知名医疗设备企业，担任研发部门经理要职，主导多个项目的研发实施和量产，并获得10余项国家发明专利。拥有近10年RT-Thread开发经验。他也是一位嵌入式开源极客，分享开源了EasyLogger、EasyFlash、CmBacktrace 等数个活跃度极高的开源软件。

邱祎，上海睿赛德电子科技有限公司联合创始人。从2006年在校时起参与开发RT-Thread开源操作系统，和中国国内优秀的工程师一起将RT-Thread从零发展起来，RT-Thread被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等众多行业，成为国人自主开发、 成熟稳定和装机量 的开源嵌入式操作系统。

熊谱翔，上海睿赛德电子科技有限公司创始人兼CEO，于2006年创立了RT-Thread开源操作系统，并以开源社区的形式，带领中国国内优秀的工程师，以从无到有的方式，融入实时面向对象设计开发了RT-Thread自主操作系统内核，及大量周边成熟、稳定软件组件，如文件系统、命令行、图形用户界面等。

朱天龙（Armink），睿赛德科技技术总监，负责RT-Thread物联网组件的研发，前沿技术探索及团队管理。曾任职于国内某知名医疗设备企业，担任研发部门经理要职，主导多个项目的研发实施和量产，并获得10余项国家发明专利。拥有近10年RT-Thread开发经验。他也是一位嵌入式开源极客，分享开源了EasyLogger、EasyFlash、CmBacktrace 等数个活跃度极高的开源软件。

前言
篇　内核篇
第1章　嵌入式实时操作系统 2
1.1　嵌入式系统 3
1.2　实时系统 4
1.3　嵌入式实时操作系统 6
1.3.1　主流嵌入式实时操作系统 7
1.3.2　发展趋势 8
1.4　本章小结 8
第2章　了解与快速上手RT-Thread 9
2.1　RT-Thread概述 9
2.2　RT-Thread的架构 10
2.3　RT-Thread的获取 11
2.4　RT-Thread快速上手 12
2.4.1　准备环境 13
2.4.2　初识RT-Thread 16
2.4.3　跑马灯的例子 20
2.5　本章小结 21
第3章　内核基础 22
3.1　RT-Thread内核介绍 22
3.2　RT-Thread 启动流程 24
3.3　RT-Thread程序内存分布 26
3.4　RT-Thread自动初始化机制 28
3.5　RT-Thread内核对象模型 29
3.5.1　静态对象和动态对象 29
3.5.2　内核对象管理架构 31
3.5.3　对象控制块 33
3.5.4　内核对象管理方式 34
3.6　RT-Thread内核配置示例 36
3.7　常见宏定义说明 38
3.8　本章小结 39
第4章　线程管理 40
4.1　线程管理的功能特点 40
4.2　线程的工作机制 41
4.2.1　线程控制块 41
4.2.2　线程的重要属性 42
4.2.3　线程状态切换 45
4.2.4　系统线程 46
4.3　线程的管理方式 46
4.3.1　创建和删除线程 47
4.3.2　初始化和脱离线程 48
4.3.3　启动线程 49
4.3.4　获得当前线程 50
4.3.5　使线程让出处理器资源 50
4.3.6　使线程睡眠 50
4.3.7　挂起和恢复线程 51
4.3.8　控制线程 52
4.3.9　设置和删除空闲钩子 52
4.3.10　设置调度器钩子 53
4.4　线程应用示例 53
4.4.1　创建线程示例 54
4.4.2　线程时间片轮转调度示例 56
4.4.3　线程调度器钩子示例 57
4.5　本章小结 59
第5章　时钟管理 60
5.1　时钟节拍 60
5.1.1　时钟节拍的实现方式 60
5.1.2　获取时钟节拍 61
5.2　定时器管理 62
5.2.1　RT-Thread定时器介绍 62
5.2.2　定时器的工作机制 63
5.2.3　定时器的管理方式 65
5.3　定时器应用示例 69
5.4　高精度延时 72
5.5　本章小结 73
第6章　线程间同步 74
6.1　信号量 75
6.1.1　信号量的工作机制 75
6.1.2　信号量控制块 75
6.1.3　信号量的管理方式 76
6.1.4　信号量应用示例 79
6.1.5　信号量的使用场合 85
6.2　互斥量 87
6.2.1　互斥量的工作机制 87
6.2.2　互斥量控制块 89
6.2.3　互斥量的管理方式 89
6.2.4　互斥量应用示例 92
6.2.5　互斥量的使用场合 97
6.3　事件集 97
　事件集的工作机制 97
6.3.2　事件集控制块 98
6.3.3　事件集的管理方式 99
6.3.4　事件集应用示例 101
6.3.5　事件集的使用场合 104
6.4　本章小结 104
第7章　线程间通信 105
7.1　邮箱 105
7.1.1　邮箱的工作机制 105
7.1.2　邮箱控制块 106
7.1.3　邮箱的管理方式 106
7.1.4　邮箱使用示例 110
7.1.5　邮箱的使用场合 112
7.2　消息队列 113
7.2.1　消息队列的工作机制 113
7.2.2　消息队列控制块 114
7.2.3　消息队列的管理方式 115
7.2.4　消息队列应用示例 118
7.2.5　消息队列的使用场合 121
7.3　信号 123
7.3.1　信号的工作机制 123
7.3.2　信号的管理方式 124
7.3.3　信号应用示例 126
7.4　本章小节 128
第8章　内存管理 129
8.1　内存管理的功能特点 129
8.2　内存堆管理 130
8.2.1　小内存管理算法 131
8.2.2　slab管理算法 132
8.2.3　memheap管理算法 133
8.2.4　内存堆配置和初始化 134
8.2.5　内存堆的管理方式 134
8.2.6　内存堆管理应用示例 136
8.3　内存池 138
8.3.1　内存池的工作机制 139
8.3.2　内存池的管理方式 140
8.3.3　内存池应用示例 143
8.4　本章小结 145
第9章　中断管理 146
9.1　Cortex-M CPU架构基础 146
9.1.1　寄存器介绍 147
9.1.2　操作模式和特权级别 148
9.1.3　嵌套向量中断控制器 148
9.1.4　PendSV系统调用 149
9.2　RT-Thread中断工作机制 149
9.2.1　中断向量表 149
9.2.2　中断处理过程 151
9.2.3　中断嵌套 153
9.2.4　中断栈 154
9.2.5　中断的底半处理 154
9.3　RT-Thread中断管理接口 156
9.3.1　中断服务程序挂接 157
9.3.2　中断源管理 158
9.3.3　全局中断开关 158
9.3.4　中断通知 160
9.4　中断与轮询 161
9.5　全局中断开关使用示例 162
9.6　本章小结 164
第10章　内核移植 165
10.1　CPU架构移植 165
10.1.1　实现全局中断开关 166
10.1.2　实现线程栈初始化 167
10.1.3　实现上下文切换 168
10.1.4　实现时钟节拍 174
10.2　BSP移植 175
10.3　内核移植示例 175
10.3.1　准备裸机工程 176
10.3.2　建立RT-Thread工程 177
10.3.3　实现时钟管理 179
10.3.4　实现控制台输出 180
10.3.5　实现动态堆内存管理 181
10.3.6　移植到更多开发板 183
10.4　本章小结 184
第二篇　组件篇
第11章　Env辅助开发环境 186
11.1　Env简介 186
11.2　Env的功能特点 187
11.3　Env工程构建示例 189
11.4　构建更多MDK工程 196

篇为内核篇（第1-10章），详细讲解了 RT-Thread 的设计思想，各个功能模块如线程、邮箱、消息队列、事件、信号、定时器和系统时钟、中断和异常、内存池、堆管理、移植的工作机制和应用方式，也提供了大量的示例供参考。
第二篇为组件篇（第11-16章），详细讲解了命令行 Shell，文件系统，网络协议栈的工作机制和应用方式，并提供了示例供参考。
通过阅读本书，读者不仅能学习和掌握嵌入式操作系统内核和常用组件的工作机制和应用方式，而且也能够通过配套的示例代码，实际动手深入体会，对未来实际应用与开发提供参考。

邱祎，上海睿赛德电子科技有限公司联合创始人。从2006年在校时起参与开发RT-Thread开源操作系统，和中国国内优秀的工程师一起将RT-Thread从零发展起来，RT-Thread被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等众多行业，成为国人自主开发、 成熟稳定和装机量 的开源嵌入式操作系统。

熊谱翔，上海睿赛德电子科技有限公司创始人兼CEO，于2006年创立了RT-Thread开源操作系统，并以开源社区的形式，带领中国国内优秀的工程师，以从无到有的方式，融入实时面向对象设计开发了RT-Thread自主操作系统内核，及大量周边成熟、稳定软件组件，如文件系统、命令行、图形用户界面等。

朱天龙（Armink），睿赛德科技技术总监，负责RT-Thread物联网组件的研发，前沿技术探索及团队管理。曾任职于国内某知名医疗设备企业，担任研发部门经理要职，主导多个项目的研发实施和量产，并获得10余项国家发明专利。拥有近10年RT-Thread开发经验。他也是一位嵌入式开源极客，分享开源了EasyLogger、EasyFlash、CmBacktrace 等数个活跃度极高的开源软件。

邱祎，上海睿赛德电子科技有限公司联合创始人。从2006年在校时起参与开发RT-Thread开源操作系统，和中国国内优秀的工程师一起将RT-Thread从零发展起来，RT-Thread被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等众多行业，成为国人自主开发、 成熟稳定和装机量 的开源嵌入式操作系统。

熊谱翔，上海睿赛德电子科技有限公司创始人兼CEO，于2006年创立了RT-Thread开源操作系统，并以开源社区的形式，带领中国国内优秀的工程师，以从无到有的方式，融入实时面向对象设计开发了RT-Thread自主操作系统内核，及大量周边成熟、稳定软件组件，如文件系统、命令行、图形用户界面等。

朱天龙（Armink），睿赛德科技技术总监，负责RT-Thread物联网组件的研发，前沿技术探索及团队管理。曾任职于国内某知名医疗设备企业，担任研发部门经理要职，主导多个项目的研发实施和量产，并获得10余项国家发明专利。拥有近10年RT-Thread开发经验。他也是一位嵌入式开源极客，分享开源了EasyLogger、EasyFlash、CmBacktrace 等数个活跃度极高的开源软件。